專利名稱:用于旋轉電機的轉子的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種用于旋轉電機的轉子,并且更加具體地涉及一種用于旋轉電機的包括多個永磁體的轉子,所述永磁體以沿著圓周間隔開的關系嵌入在轉子鐵芯的外周部分中。
背景技術:
作為相關技術,例如已知用于電動機的如圖3所示的轉子80,所述轉子80在日本專利申請公報No. 2003-134704 (JP-A-2003-134704)中被公開。圖3是圖解了轉子80的一部分的視圖,換言之,所述一部分是所述轉子80的垂直于軸82的軸線的橫截面的四分之一(90。區(qū)域)。在圖3中,轉子80包括被可旋轉地支撐的軸82,所述軸82作為轉子的旋轉軸;固定到軸82的轉子鐵芯84 ;多個永磁體86 (圖3示出了所述多個永磁體86中的僅一個),所述永磁體86沿著轉子鐵芯84的外周設置在所述轉子芯84中;永磁體88a和永磁體88b,所述永磁體88a和永磁體88b皆具有矩形的橫截面,并且在轉子鐵芯84中以大體V狀的構造布置在永磁體86的徑向內側;和永磁體90a和永磁體90b,所述永磁體90a和永磁體90b分別定位在永磁體88a和永磁體88b的徑向內側。通過軸向疊壓多個磁鋼片材形成轉子鐵芯84。永磁體86和布置成V狀構造的永磁體88a和永磁體88b皆是具有高磁通密度的磁體,例如銣磁體。永磁體90a和永磁體90b例如是鐵氧體磁體,與永磁體86以及永磁體88a和88b相比,所述永磁體90a和90b具有更低的磁通密度。永磁體88a和88b在一個角部處相互接觸。據(jù)稱,即使具有高磁通密度的諸如銣磁體的磁體被用作永磁體86和永磁體88a和88b,因為定位在永磁體88a和88b的徑向內側并且與永磁體88a和88b相比具有更低的磁通密度的永磁體90a和90b降低了 d軸電感Ld,防止永磁體86與永磁體88a和88b之間磁飽和,并且增加了 q軸電感Lq,所以具有上述構造的轉子80能夠提高裝備有所述轉子80的旋轉電機的輸出轉矩。在JP-A-2003-134704的轉子80中,包括有作為由點劃線所表示的q軸磁通路的一部分的大體三角形的鐵芯區(qū)域92,所述鐵芯區(qū)域92被永磁體86以及永磁體88a和88b所包圍,其中所述永磁體88a和88b以大體V狀構造布置在永磁體86的兩側。在這種情況下,因為磁通路在進入部分94a和離開部分94b處較為狹窄,所以q軸磁通在這些部分中趨于飽和。具體地,當具有高磁通密度的諸如銣磁體的磁體被用作以大體V狀構造布置的永磁體88a和88b時,這種趨勢更顯著。另一個問題是,因為q軸磁通沒有順暢地經(jīng)過或者根本沒有流過作為q軸磁通路的中央部分的大體三角形的鐵芯區(qū)域92,所以不能有效地使用具有有限的尺寸或者有限的橫截面面積的鐵芯區(qū)域
發(fā)明內容
鑒于上述問題,本發(fā)明提供了一種用于旋轉電機的轉子,通過有效使用具有有限尺寸的鐵芯區(qū)域來增大q軸電感Lq,所述轉子可以提供高轉矩輸出。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面,用于旋轉電機的轉子,所述轉子包括轉子鐵芯;和多個磁極,所述多個磁極以沿著圓周間隔開的關系設置在轉子鐵芯的外周部分中,并且所述轉子的特征在于,用于旋轉電機的轉子的磁極中的每個磁極均包括定位在圓周中心位置的第一永磁體;第二永磁體,所述第二永磁體嵌入在第一永磁體的兩個圓周側上,并且布置成使得所述第二永磁體之間的距離徑向向外地增加;和第一區(qū)域,所述第一區(qū)域設置成在位于第二永磁體之間的區(qū)域的徑向內側的位置與第一永磁體相對,并且所述第一區(qū)域與鐵芯的材料相比具有更低的導磁率,所述轉子的特征還在于,q軸磁通路形成在位于第一永磁體、第二永磁體和第一區(qū)域之間的鐵芯區(qū)域中,q軸磁通路的中央部分和q軸磁通路的進入/離開部分設置成具有大體相同的寬度,其中所述中央部分形成在第一永磁體和第一區(qū)域之間,所述進入/離開部分形成在第二永磁體和第二區(qū)域之間,所述第二區(qū)域設置在第一永磁體的兩個圓周側上,并且與鐵芯的材料相比,所述第二區(qū)域具有更低的導磁率。除了寬度精確相等的情況之外,短語“具有大體相同的寬度”還意在于包括寬度之間差異很小以至于可以認為所述寬度相等的情況。在用于旋轉電機的轉子中,第一區(qū)域和第二區(qū)域皆可以包括中空腔和樹脂中的至少一個。在用于旋轉電機的轉子中,第一區(qū)域可以包括兩個第一孔,所述兩個第一孔形成為與第二磁體插入孔中的對應的一個的徑向內端部相連通,第二永磁體插入所述第二磁體插入孔中;和第二孔,所述第二孔形成在第一孔之間且通過橋部分與第一孔分開,并且第二孔的寬度可以與第一永磁體的寬度大體相同。在用于旋轉電機的轉子中,第二區(qū)域可以設置在位于第一永磁體的兩個圓周側上且位于第一永磁體的徑向外側的位置中,并且所述第二區(qū)域與插入有第一永磁體的第一磁體插入孔分開,并且q軸磁通路的進入/離開部分可以形成在第二永磁體和第二區(qū)域之間。在用于旋轉電機的轉子中,第一永磁體和第二永磁體可以具有相同的形狀和尺寸。根據(jù)本發(fā)明的用于旋轉電機的轉子,q軸磁通路形成在第一永磁體、第二永磁體和第一區(qū)域之間,并且q軸磁通路的形成在第一永磁體和第一區(qū)域之間的中央部分和q軸磁通路的形成在第二永磁體和第二區(qū)域之間的進入/離開部分被設置成具有大體相同的寬度,其中所述第二區(qū)域形成在第一永磁體的兩個圓周側上。因此,可以防止在q軸磁通路進A /離開部分中發(fā)生磁飽和,并且可以將從q軸磁通路的進入/離開部分延伸到q軸磁通路的中央部分的鐵芯區(qū)域有效地用作q軸磁通路,這使得q軸電感增大并且使電抗轉矩增大。結果是,可以有效地實現(xiàn)高轉矩輸出。
在參照附圖對本發(fā)明的示例性實施例進行的以下詳細描述中,將說明本發(fā)明的特征、優(yōu)勢、以及在技術和工業(yè)上的顯著意義,在這些附圖中相同的附圖標記指示相同的元件,并且其中圖I是作為本發(fā)明的一個實施例的轉子的軸向剖視圖2A是圖解了在形成圖I的轉子的轉子鐵芯中的一個磁極的局部放大視圖;圖2B是與圖2A類似的放大視圖,其示意性地圖解了相關技術的轉子鐵芯中的一個磁極中的q軸磁通流;和圖3是圖解了相關技術的轉子中的一個磁極和d軸磁通路以及q軸磁通路的構造的局部放大視圖。
具體實施例方式在下文中,參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。應當注意的是,在本說明書中的具體形狀、材料、數(shù)值、方向等是用于幫助理解本發(fā)明的示例,并且可以根據(jù)用途、目的、規(guī)格等的要求而變化。圖I是這個實施例的用于旋轉電機的轉子10(所述轉子10在下文中視需要可以被簡稱為“轉子”)的軸向剖視圖。圓筒形的定子(未示出)圍繞轉子10設置。定子形成可旋轉地驅動轉子10的磁場。轉子10包括圓柱形或圓筒形柱狀的轉子鐵芯12,所述轉子鐵芯12具有中心孔;軸14,所述軸14固定地延伸貫穿轉子鐵芯12的中心孔;端板16,所述端板16布置成與轉子鐵芯12的在軸14(以及轉子鐵芯12)的用箭頭X表示的軸向方向上的兩個側部相接觸;和固定構件18,所述固定構件18將轉子鐵芯12和端板16固定到軸14。通過軸向疊壓多個環(huán)形磁鋼片材形成轉子鐵芯12,所述環(huán)形磁鋼片材中的每片均通過沖壓厚度例如為0. 3mm的硅鋼板等等而形成。形成轉子鐵芯12的磁鋼片材在通過軸向劃分轉子鐵芯12而形成的多組中的每組中整體地連接在一起,或者所述磁鋼片材通過諸如型鍛、粘合或者焊接的適當方法連接成單一體。轉子鐵芯12具有多個磁極,所述多個磁極以沿著圓周等距間隔開的關系設置。磁極中的每個均包括多個永磁體,稍后將描述所述多個永磁體的細節(jié)。軸14由鋼制圓棒材形成并且具有凸緣部分15,所述凸緣部分15從所述軸14的外周徑向向外地延伸。凸緣部分抵靠端板16中的一個并且起到鄰接部分的作用,所述鄰接部分在轉子10裝配后確定轉子鐵芯12在軸14上的軸向位置。用于固定轉子鐵芯12的圓周位置的鍵槽可以軸向地形成在軸14的外表面中。端板16中的每個均由圓板形成,所述圓板具有與轉子鐵芯12的軸向端面大體相同的外形。端板16由諸如鋁或銅的非磁性的金屬材料適當?shù)刂瞥?。用非磁性金屬制作端?6的原因是為了防止在形成磁極的永磁體的軸向端部之間發(fā)生磁通短路。然而,端板16不必由金屬材料制成,只要所述端板16由非磁性材料制成即可。例如,端板16可以由樹脂材料制成。
定位在轉子鐵芯12的兩個軸向端部處的端板16具有從兩個側部保持轉子鐵芯12的功能;在裝配轉子10之后,被局部地切割以便糾正轉子10的不平衡的功能;防止形成磁極的永磁體從轉子鐵芯12軸向地伸出的功能,等等。在這個實施例中,盡管基于端板16的直徑與轉子鐵芯12的直徑大體相等這一假設進行描述和說明,但是,當形成磁極的永磁體通過樹脂等固定在轉子鐵芯中時,端板的直徑可以更小或者取消所述端板,以便削減成本。固定構件18包括圓筒形的型鍛部分20和擠壓部分22,所述擠壓部分22從型鍛部分20的一個端部徑向向外地延伸。通過如下方式將固定構件18固定到軸14 :將型鍛部分20型鍛到軸14上,其中轉子鐵芯12和兩塊端板16被擠壓部分22朝向凸緣部分15擠壓。結果是,轉子鐵芯12與端板16 —起被固定到軸14。接下來參照圖2A描述包括在轉子鐵芯12中的磁極的構造。圖2A是放大的視圖,其圖解了一個磁極24,所述磁極24在觀察轉子鐵芯12的軸向端面時可見。當在垂直于轉子鐵芯12的軸向方向的橫截面中觀察所述轉子鐵芯12時,磁極24具有相同的構造。轉子鐵芯12具有例如八個磁極24,所述八個磁極24以沿著圓周等距間隔開的關系布置。每個磁極24均包括一個第一永磁體26和兩個第二永磁體28a和28b。所述第一永磁體26在鄰近轉子鐵芯12的外周表面13并且位于磁極24的圓周中心處的位置嵌入在所述轉子鐵芯12中。第一永磁體26具有伸長的矩形的端面(和橫截面),所述端面具有兩個短側邊和 兩個長側邊,并且所述第一永磁體26具有與轉子鐵芯12大體相同的軸向長度。第一永磁體26軸向地插入第一磁體插入孔30中,并且由例如注射到第一永磁體26的長側邊的側面和第一磁體插入孔的內表面之間的狹窄空隙中的熱固性樹脂來固定,其中所述第一磁體插入孔30貫穿轉子鐵芯12形成。第一永磁體26布置成使其長側邊的側面大體沿著轉子鐵芯12的外周表面13延伸。在第一磁體插入孔30的兩個圓周側部上,兩個袋狀部分32形成為與第一磁體插入孔30相連通。袋狀部分32沿著第一永磁體26的短側邊的側面軸向地延伸。袋狀部分32包括中空腔或者樹脂,所述中空腔或樹脂與形成轉子鐵芯12的磁鋼片材相比具有更低的導磁率,并且因此具有防止在第一永磁體26的沿著所述第一永磁體26的長側邊的方向的端部處發(fā)生磁通短路的功能,以及限定q軸磁通路的一部分的功能。用于固定第一永磁體26的樹脂可以通過袋狀部分32中的至少一個注射。兩個外周側的孔(第二區(qū)域)34形成在鄰近袋狀部分32且靠近轉子鐵芯12的外周的位置處。外周側的孔34形成在第一永磁體26的兩個圓周側上且與第一磁體插入孔30以及袋狀部分32間隔開。外周側的孔34包括中空腔,所述中空腔與形成轉子鐵芯12的磁鋼片材相比具有更低的導磁率,并且因此所述中空腔限定了低導磁率區(qū)域。如稍后描述的那樣,q軸磁通路的進入/離開部分50a和50b形成在位于外周側的孔34和第二永磁體28a和28b之間的鐵芯區(qū)域中。應當注意的是,在這個實施例中,盡管外周側的孔34形成為離開與第一磁體插入孔30相連通的袋狀部分32,但本發(fā)明并不局限于此,并且外周側的孔34可以形成為與形成第一磁體插入孔30的一部分的袋狀部分32相連通。另外,外周側的孔34可以用與磁鋼片材相比具有更低導磁率的材料填充,所述材料例如是低導磁率的樹脂材料。第二永磁體28a和28b嵌入在第一永磁體26的兩個圓周側上,并且布置成大體V狀構造,所述V狀構造朝向外周表面13開口。第二永磁體28a和28b優(yōu)選地具有與第一永磁體26相同的形狀和尺寸。第二永磁體28a和28b軸向地插入到第二磁體插入孔36中,并且以與第一永磁體26相同的方式固定在所述第二磁體插入孔36中。袋狀部分38形成在第二永磁體28a和28b的徑向外側且與第二磁體插入孔36中的對應的一個相連通。袋狀部分38包括中空腔或樹脂,所述中空腔或樹脂具有低導磁率,并且因此具有防止在第二永磁體28a和28b的沿著所述第二永磁體28a和28b的長側邊的方向的徑向外側端部處發(fā)生磁通短路的功能,并且具有限定q軸磁通路的進入/離開部分的端部的功能。用于固定第二永磁體28a和28b的樹脂可以通過袋狀部分38注入。包括三個孔41、42和43的低導磁率區(qū)域(第一區(qū)域)40形成在位于第二永磁體28a和28b之間的區(qū)域的徑向內側的位置處???1、42和43中的每個均包括中空腔(或樹脂),所述中空腔(或樹脂)與磁鋼片材相比具有更低的導磁率,并且由此形成低導磁率區(qū)域。第一孔41和42中的每個均形成為與內部插入有第二永磁體28a和28b的第二磁體插入孔36中的對應的一個的徑向內端部相連通。第一孔41和42具有防止在所述第二永磁體28a和28b的沿著所述第二永磁體28a和28b的長側邊的方向的徑向內端部處發(fā)生磁通短路的功能,并且具有限定q軸磁通路的一部分的功能。第二孔43形成在第一孔41和42之間,并且通過橋部分44與第一孔41和42分開。第二孔43是大體矩形的孔,所述大體矩形的孔平行于第一永磁體26延伸,并且通過q軸磁通路的中央部分50c與第一永磁體26相對。另外,第二孔43優(yōu)選地具有與第一永磁體26大體相同的寬度。具有這樣的寬度的第二孔43能夠有效地降低d軸磁通路中的d軸電感Ld,并且有助于提高電抗轉矩,其中所述d軸磁通路形成為徑向地通過第一永磁體26。在這個實施例的如上所述構成的轉子鐵芯12中,q軸磁通路形成在位于第一永磁體26、袋狀部分32、外周側的孔34、第二永磁體28a和28b、以及第一區(qū)域40之間的鐵芯區(qū)域中。具體地,q軸磁通路的中央部分形成在第一永磁體26和低導磁率區(qū)域40的第二孔43之間,并且q軸磁通路的進入/離開部分50a和50b形成在第二永磁體28a和28b以及外周側的孔34之間。這個實施例的一個特征是q軸磁通路的中央部分50c和進入/離開部分50a和50b被設置成具有相同或者大體相同的寬度。磁通路的寬度是其在大體垂直于經(jīng)過磁通路(圖2A中的點劃線)的q軸磁通的方向上的寬度或長度。在圖2A中,q軸磁通路的進入部分形成在第二永磁體28b和位于右側的外周側的孔34之間,q軸磁通路的離開部分形成在第二永磁體28a和位于左側的外周側的孔34之間。然而,因為根據(jù)定子(未示出)的激發(fā)態(tài)以及轉子10的旋轉位置,q軸磁通可能沿著與圖2B所示的方向相反的方向通過,所以使用術語“q軸磁通路的進入/離開部分”。如以上參照背景技術所描述的那樣,在包括如圖2B所示的具有三個永磁體的普通磁極25的轉子中,q軸磁通路的形成在第一永磁體27的圓周端部與第二永磁體29a和29b之間的進入/離開部分較為狹窄,而q軸磁通路的形成在第一永磁體27的圓周中央部分與第二永磁體29a和29b之間的中央部分較寬。因此,磁飽和趨于發(fā)生在q軸磁通路的進入/離開部分中,并且被第一和第二永磁體所包圍的大體三角形的鐵芯區(qū)域不能被有效地用作q軸磁通路。相比之下,根據(jù)這個實施例的轉子10,q軸磁通路的中央部分50c和進入/離開部分50a和50b在磁極24中具有大體相同的寬度。因此,可以防止在q軸磁通路的進入/離開部分50a和50b中發(fā)生磁飽和,并且從q軸磁通路的進入/離開部分50a(或50b)延伸到q軸磁通路的中央部分50c的鐵芯區(qū)域可以被有效地用作q軸磁通路。結果是,因為q軸電感Ld增大并且電抗轉矩增大,所以即使通過定子繞組的電流相同,也可以實現(xiàn)高轉矩輸出。另外,將與第一永磁體26寬度大體相同的第二孔43放置成在第一永磁體26的徑、向內側的位置處與第一永 磁體26相對以降低d軸電感Ld,有效地使電抗轉矩增大,所述電抗轉矩與d軸電感Ld和q軸電感Lq之間的差異(“Ld_Lq”的絕對值)成比例地增大。換言之,因為可以減少產(chǎn)生相同轉矩所需的永磁體的數(shù)量,所以可以削減用于磁體的成本。另外,當?shù)谝缓偷诙来朋w26、28a和28b具有相同的形狀和尺寸時,可以削減用于生產(chǎn)和控制磁體所需的成本,并且可以容易且快速地將磁體裝配到轉子鐵芯中。在上述實施例中,可以做出各種變化和調整。例如,盡管在上述實施例中低導磁率區(qū)域40包括三個孔41、41和43,但是本發(fā)明并非局限于此。低導磁率區(qū)域40可以包括兩個孔,所述兩個孔通過一個橋部分分開,或者所述低導磁率區(qū)域40可以具有僅一個孔,并且沒有橋部分。
權利要求
1.一種用于旋轉電機的轉子,所述轉子包括轉子鐵芯;和多個磁極(24),所述多個磁極以沿著圓周間隔開的關系設置在所述轉子鐵芯的外周部分中, 其特征在于,每個所述磁極(24)都包括 第一永磁體(26),所述第一永磁體定位在圓周中心位置; 第二永磁體(28a, 28b),所述第二永磁體嵌入在所述第一永磁體(26)的兩個圓周側上,并且布置成使得所述第二永磁體之間的距離徑向向外增大;和 第一區(qū)域(40),所述第一區(qū)域設置成在位于所述第二永磁體(28a,28b)之間的區(qū)域的徑向內側的位置與所述第一永磁體(26)相對,并且所述第一區(qū)域與鐵芯的材料相比具有更低的導磁率,并且 q軸磁通路形成在位于所述第一永磁體(26)、所述第二永磁體(28a, 28b)和所述第一區(qū)域(40)之間的鐵芯區(qū)域中,并且所述q軸磁通路的中央部分(50c)和所述q軸磁通路的進入/離開部分(50a,50b)設置成具有大體相同的寬度,其中所述中央部分形成在所述第一永磁體(26)和所述第一區(qū)域(40)之間,所述進入/離開部分(50a,50b)形成在所述第ニ永磁體(28a,28b)和第二區(qū)域(34)之間,所述第二區(qū)域設置在所述第一永磁體(26)的兩個圓周側上,并且與所述鐵芯的材料相比所述第二區(qū)域具有更低的導磁率。
2.根據(jù)權利要求I所述的用于旋轉電機的轉子, 其特征在于,所述第一區(qū)域(40)和所述第二區(qū)域(34)包含中空腔和樹脂中的至少ー個。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的用于旋轉電機的轉子, 其特征在于,所述第一區(qū)域(40)包括兩個第一孔(41,42),所述兩個第一孔形成為與第二磁體插入孔(36)中的對應的一個的徑向內端部相連通,所述第二永磁體(28a, 28b)插入到所述第二磁體插入孔中;和第二孔(43),所述第二孔形成在所述第一孔(41,42)之間并且通過橋部分(44)與所述第一孔(41,42)分開,所述第二孔(43)具有與所述第一永磁體(26)大體相同的寬度。
4.根據(jù)權利要求I到3中的任一項所述的用于旋轉電機的轉子, 其特征在于,所述第二區(qū)域(34)設置在位于所述第一永磁體(26)的兩個圓周側上且位于所述第一永磁體(26)的徑向外側的位置處,并且所述第二區(qū)域(34)與內部插入有所述第一永磁體(26)的第一磁體插入孔(30)間隔開,所述q軸磁通路的所述進入/離開部分(50a,50b)形成在所述第二永磁體(28a,28b)和所述第二區(qū)域(34)之間。
5.根據(jù)權利要求I到4中的任一項所述的用于旋轉電機的轉子, 其特征在于,所述第一永磁體(26)和所述第二永磁體(28a,28b)具有相同的形狀和尺寸。
全文摘要
用于旋轉電機的轉子。轉子鐵芯(12)包括嵌入在轉子鐵芯的外周部分中的第一永磁體(26);嵌入在第一永磁體的兩個圓周側上并且布置成向外徑向開口的大體V狀構造的第二永磁體(28a,28b);以及第一區(qū)域(40),第一區(qū)域設置成在第二永磁體之間的區(qū)域的徑向內側的位置與第一永磁體相對,并且第一區(qū)域具有低導磁率。q軸磁通路形成在位于第一永磁體、第二永磁體和第一區(qū)域之間的鐵芯區(qū)域中。q軸磁通路的中央部分(50c)和進入/離開部分(50a,50b)具有大體相同的寬度,其中中央部分形成在第一永磁體和第一區(qū)域之間,進入/離開部分形成在第二永磁體和設置在所述第一永磁體的兩個圓周側上并且具有低導磁率的第二區(qū)域(34)之間。
文檔編號H02K1/27GK102629789SQ201210023619
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權日2011年2月3日
發(fā)明者佐野新也, 吉田稔彥, 大竹新一, 宮路剛, 武田健, 渡邊裕太, 稻垣智廣, 齊藤洋一 申請人:豐田自動車株式會社, 株式會社豐田自動織機, 愛信艾達株式會社